农业气象学第四章

1、水分条件与农业生产水分条件与农业生产 1 1 水的农业意义水的农业意义 2 2 土壤土壤植物植物大气水分循环系统大气水分循环系统 3 3 土壤土壤植物植物大气系统水分传输大气系统水分传输 4 4 水分与作物生长发育及产量形成水分与作物生长发育及产量形成 5 5 不利水分条件对农业生产的影响及其调控不利水分条件对农业生产的影响及其调控 实习实习3 3：作物水分关键期分析：作物水分关键期分析本章重点：本章重点： “土壤土壤植物植物大气大气”系统水分传输、土系统水分传输、土壤壤水分常数、土壤水势、作物需水量、蒸散、作水分常数、土壤水势、作物需水量、蒸散、作物水分临界期与关键期、土壤水分滞后现象等物水

2、分临界期与关键期、土壤水分滞后现象等基本概念，农作物需水规律、土壤水分特征曲基本概念，农作物需水规律、土壤水分特征曲线、土壤水分有效性分析，不利水分条件对农线、土壤水分有效性分析，不利水分条件对农业生产的影响，土壤水分调控技术。业生产的影响，土壤水分调控技术。本章难点：本章难点： 土壤水分常数、土壤水势、蒸散、作物水土壤水分常数、土壤水势、蒸散、作物水分临界期与关键期。分临界期与关键期。 主要内容：主要内容： 水的基本性质水的基本性质 水分影响农作物生命活动的方面水分影响农作物生命活动的方面 水分影响水分影响农作物生命活动的农作物生命活动的方式和形态方式和形态 水量时间分配对农作物生命活动的影

3、响水量时间分配对农作物生命活动的影响一、水的基本性质一、水的基本性质 1 1、纯水的特性、纯水的特性水是由氧原子和氢原子通水是由氧原子和氢原子通过共价键结合在一起的产物。过共价键结合在一起的产物。水分子的水分子的极性极性：氢原子一：氢原子一端微显正电，氧原子一端微端微显正电，氧原子一端微显负电。显负电。氢键氢键：极性使水分子之间：极性使水分子之间相互吸引，键合在一起。相互吸引，键合在一起。 2 2、纯水的理化性质、纯水的理化性质很强的溶解能力：很强的溶解能力：5757种元素溶于水。种元素溶于水。表面张力：液体表面任何两部分间具有的相互牵引力。表面张力：液体表面任何两部分间具有的相互牵引力。毛细

4、现象：水在细管中沿着管壁向上攀升的现象。毛细现象：水在细管中沿着管壁向上攀升的现象。很大的热容量：在所有的固体和液体中最高。很大的热容量：在所有的固体和液体中最高。 3 3、纯水的、纯水的相变相变特点：水分子间相对吸引力的变化。特点：水分子间相对吸引力的变化。本质：吸收热能和放出热能的过程。本质：吸收热能和放出热能的过程。吸热吸热- -无序化过程无序化过程: :蒸发、融化和升华。蒸发、融化和升华。放热放热- -有序化过程有序化过程: :凝结、冻结和凝华。凝结、冻结和凝华。二、水分影响农作物的主要方面二、水分影响农作物的主要方面 1 1、水分是绿色植物光合作用的原料、水分是绿色植物光合作用的原料

5、 2 2、水分的多少影响着作物光合作用的强度、水分的多少影响着作物光合作用的强度 3 3、水分作为水分作为介质介质还影响着作物光合作用过程中还影响着作物光合作用过程中所需的矿物质营养元素的传输及光合产物向根、所需的矿物质营养元素的传输及光合产物向根、茎、花、果实等器官和组织的输送。茎、花、果实等器官和组织的输送。 4 4、水分供应作物蒸腾的需要，而蒸腾则调水分供应作物蒸腾的需要，而蒸腾则调节着作物体温，还是植物根系从土壤中吸收水分节着作物体温，还是植物根系从土壤中吸收水分和养分的动力之一，也在作物的整个生理过程中和养分的动力之一，也在作物的整个生理过程中起着平衡作用。起着平衡作用。 5 5、水

6、分是植物组成的主要因素之一。水分是植物组成的主要因素之一。据测据测定，一般植株的含水量为鲜重的定，一般植株的含水量为鲜重的757590%90%，水生，水生植物甚至高达植物甚至高达98%98%。充足的水分可保持作物细胞。充足的水分可保持作物细胞组织的紧张度，使植株茎叶挺直，并可保证植株组织的紧张度，使植株茎叶挺直，并可保证植株有相当的表面来进行光合作用。有相当的表面来进行光合作用。 1、从方式上看，有、从方式上看，有大气水分和土壤水分大气水分和土壤水分。 大气降水是土壤水分的主要来源，而土壤大气降水是土壤水分的主要来源，而土壤水分是水分供应的基础。大气中水汽含量不仅水分是水分供应的基础。大气中水

7、汽含量不仅对某些作物有直接影响，同时还影响土壤水分对某些作物有直接影响，同时还影响土壤水分消耗的状况，进而对作物产生影响。消耗的状况，进而对作物产生影响。 不同作物在不同生育期对水分条件的要求不同作物在不同生育期对水分条件的要求不同，我国降水的季节分配不均，如果水分的不同，我国降水的季节分配不均，如果水分的季节性分配正好满足作物需要，就促进其生长季节性分配正好满足作物需要，就促进其生长发育，获得高产；如果分配不均，发生旱涝，发育，获得高产；如果分配不均，发生旱涝，便会抑制作物的生长发育，导致减产。便会抑制作物的生长发育，导致减产。 主要内容：主要内容： 定义定义 土壤水分平衡土壤水分平衡 土壤

8、水分的再分布土壤水分的再分布 土壤水分类型土壤水分类型 土壤水分常数土壤水分常数 大气水分以降水形式到达地面，经分配后大气水分以降水形式到达地面，经分配后进入土壤，大量的水分通过植物根系吸水经植进入土壤，大量的水分通过植物根系吸水经植物体运输到叶片，再由叶片中的液态水变为汽物体运输到叶片，再由叶片中的液态水变为汽态水而输送到空气中。这种贯通土壤态水而输送到空气中。这种贯通土壤植物植物大气连续的水流可以直观的理解，称为大气连续的水流可以直观的理解，称为土壤土壤植物植物大气水分循环系统大气水分循环系统。 土壤土壤植物植物大气水分循环系统水分循环大气水分循环系统水分循环的动力，是植物的蒸腾作用。的动

9、力，是植物的蒸腾作用。 蒸发蒸发 降水降水 截留截留 表面贮存表面贮存 径流径流 入渗入渗 蒸腾蒸腾 土壤水分贮存土壤水分贮存 潜流潜流 河道河道 深层下渗深层下渗 地下水贮存地下水贮存 地下水流动地下水流动土壤土壤植物植物大气系统水分循环示意图大气系统水分循环示意图 土壤水是作物吸水的主要来源。要了解土壤水分的有关土壤水是作物吸水的主要来源。要了解土壤水分的有关规律，首先要了解其水分收支的平衡规律及收支各项的特点。规律，首先要了解其水分收支的平衡规律及收支各项的特点。 一般情况下，某一定时间间隔内的土壤水分平衡可用下一般情况下，某一定时间间隔内的土壤水分平衡可用下式表示：式表示： 土壤水始量

10、土壤水始量+收入水量收入水量-支出水量支出水量=土壤水终量土壤水终量 其中收入水量一般包括：降水量、灌溉水量、毛管上升其中收入水量一般包括：降水量、灌溉水量、毛管上升水量、水汽凝结的水量。水量、水汽凝结的水量。 支出水量一般包括：地面径流、深层渗漏、土壤蒸发、支出水量一般包括：地面径流、深层渗漏、土壤蒸发、植物蒸腾。植物蒸腾。 1 1、自然植被地土壤水分平衡自然植被地土壤水分平衡 在土壤在土壤植物植物大气系统中，自然植被地的大气系统中，自然植被地的土壤水分平衡方程中主要包括收入项、支出项和土壤水分平衡方程中主要包括收入项、支出项和贮存项。贮存项。 收入项：降水收入项：降水R R、毛管上升水毛管

11、上升水SgSg 支出项：植物蒸腾支出项：植物蒸腾EpEp、土壤蒸发土壤蒸发EsEs 径流与排水径流与排水q q 贮存项：植物体蓄水贮存项：植物体蓄水SpSp、土壤蓄水土壤蓄水SsSs 因此，自然植被地水分平衡方程可写为：因此，自然植被地水分平衡方程可写为： （R R+SgSg）- -（EpEp+EsEs+q q）= =SpSp+SsSs式中，从宏观的空间和时间来考虑，降水项非常式中，从宏观的空间和时间来考虑，降水项非常重要。但在较短的时间和有限的范围内，非降水重要。但在较短的时间和有限的范围内，非降水的作用就较为显著。而对农业生产而言，重点应的作用就较为显著。而对农业生产而言，重点应考虑考虑降

12、水、植物蒸腾、土壤蒸发以及土壤蓄水量降水、植物蒸腾、土壤蒸发以及土壤蓄水量。 2 2、农田土壤水分平衡、农田土壤水分平衡 计算和分析农田土壤水分平衡的目的是要弄清计算和分析农田土壤水分平衡的目的是要弄清作物全生育期内或某一生育期水分供应条件，以确作物全生育期内或某一生育期水分供应条件，以确定作物灌溉量和生育期间土壤水分变化特点。定作物灌溉量和生育期间土壤水分变化特点。 农田土壤水分平衡方程：农田土壤水分平衡方程： W Wh h+ +（R R+SgSg+ K K）- -（EsEs+EpEp+ q q1 1+q+q2 2）= W= Wk k式中，式中，R R为某时期内的降水量，为某时期内的降水量，

13、SgSg为毛管水上升量，为毛管水上升量，K K为该时期内的灌溉量，为该时期内的灌溉量，EsEs为土壤蒸发量，为土壤蒸发量，EpEp为植为植物蒸腾量，物蒸腾量，q q1 1为地表径流量，为地表径流量，q q2 2为地下径流量，为地下径流量，W Wh h、W Wk k分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+EpEs+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时的具体情况略去。根据当地当时的具体情况略去。 3 3、降水的分配降水的分配 （1 1）植被截留）植被截留 定义定义 降水落到地面之前，首先被植物

14、冠层截去降水落到地面之前，首先被植物冠层截去的那部分降水。的那部分降水。 影响因子影响因子 植被类型和植被覆盖度；植被类型和植被覆盖度； 降水的强度和时间降水的强度和时间。 （2 2）下渗（渗透）下渗（渗透） 定义定义 降水经植物截留后剩余的水透过地表渗入降水经植物截留后剩余的水透过地表渗入到土壤中的过程称为渗透。到土壤中的过程称为渗透。 渗透系数渗透系数 下渗量（下渗量（） 渗透系数（渗透系数（）= 降水量（降水量（R） 水分渗入土壤的过程描述水分渗入土壤的过程描述 水分渗入土壤包括两个相互穿插的过程。水分渗入土壤包括两个相互穿插的过程。当干燥的土壤遇水以后，首先进行的是不饱和当干燥的土壤遇

15、水以后，首先进行的是不饱和流动。当水分增加到一定量时，水分在重力的流动。当水分增加到一定量时，水分在重力的作用下，经粗孔隙向下渗透即进行饱和流动。作用下，经粗孔隙向下渗透即进行饱和流动。而由于土壤中孔隙的分布不均匀，这两个过程而由于土壤中孔隙的分布不均匀，这两个过程不是完全孤立而是相互穿插的。不是完全孤立而是相互穿插的。 入渗速率入渗速率式中，式中，i i为入渗速率；为入渗速率；s s为吸水率；为吸水率；t t为时间；为时间；A A为为常数。常数。 影响入渗速率的因子影响入渗速率的因子 降水开始后的时间降水开始后的时间 土壤初始含水量土壤初始含水量 土壤性质土壤性质 土壤表面状况土壤表面状况A

16、sti2121 （3 3）地表径流）地表径流 定义定义 降水落到地面，没有渗入土壤而从地表流走降水落到地面，没有渗入土壤而从地表流走的那部分水量，称为地表径流。的那部分水量，称为地表径流。 影响因子影响因子 降水强度降水强度 坡度坡度 土壤表面状况土壤表面状况 径流系数径流系数 径流量（径流量（q） 径流系数（径流系数（ ）= 降水量（降水量（R） （4 4）渗透、径流和降水的关系）渗透、径流和降水的关系 渗透、径流和降水的关系渗透、径流和降水的关系 从一次降水过程来看，渗透在降水之初就从一次降水过程来看，渗透在降水之初就发生了，当入渗达到高峰之后，有径流产生，发生了，当入渗达到高峰之后，有径

17、流产生，然后逐渐增大，在降水停止后，径流还将延续然后逐渐增大，在降水停止后，径流还将延续一段时间。一段时间。 农业意义农业意义 径流量大不利，下渗量大有利。径流量大不利，下渗量大有利。 减少径流量、增加下渗量的措施减少径流量、增加下渗量的措施 平整土地、翻耕、松土、种树种草等，平整土地、翻耕、松土、种树种草等，都可减少径流量、增加下渗量，以防止水土都可减少径流量、增加下渗量，以防止水土流失，保护水土资源。流失，保护水土资源。 降水（灌溉）结束后，水分在重力、吸力和降水（灌溉）结束后，水分在重力、吸力和温度梯度作用下，继续向较干的下层移动，这个温度梯度作用下，继续向较干的下层移动，这个过程称为土

18、壤水分的再分布过程。过程称为土壤水分的再分布过程。 土壤水分再分布的速率主要取决于再分布开土壤水分再分布的速率主要取决于再分布开始时土壤上层的湿润程度和下层土壤干燥程度。始时土壤上层的湿润程度和下层土壤干燥程度。 再分布速率与渗透速率一样，也是随着时间再分布速率与渗透速率一样，也是随着时间的后延而减小。的后延而减小。 四、土壤水分类型四、土壤水分类型 1 1、土壤中水分的受力情况、土壤中水分的受力情况 重力。方向指向地心。重力。方向指向地心。 土粒的吸附力。方向指向土壤颗粒内部。土粒的吸附力。方向指向土壤颗粒内部。 毛管力：土壤颗粒间细小的连通孔隙可视为毛管力：土壤颗粒间细小的连通孔隙可视为毛

19、管。毛管中水气界面为一弯月面，弯月面下的液毛管。毛管中水气界面为一弯月面，弯月面下的液态水受毛管壁吸持力和表面张力的共同作用，称毛态水受毛管壁吸持力和表面张力的共同作用，称毛管力。管力。 水分在土壤中主要受到这水分在土壤中主要受到这3种力的作用，使其种力的作用，使其能够保持在土壤中且表现为不同的类型能够保持在土壤中且表现为不同的类型。 2 2、土壤水分类型、土壤水分类型 （1 1）吸湿水）吸湿水 定义定义 指烘干的土壤从含有水汽的空气中由吸附力指烘干的土壤从含有水汽的空气中由吸附力吸附于土粒表面的水分。吸附于土粒表面的水分。 影响因子影响因子 空气相对湿度空气相对湿度 土壤性质土壤性质 性质性

20、质 具有固态水的性质，对植物来说是无效水。具有固态水的性质，对植物来说是无效水。 （2 2）膜状水膜状水 定义定义 当土壤的吸湿水达到最大量后，在吸湿水当土壤的吸湿水达到最大量后，在吸湿水的外层所形成的一层膜状的液态水叫膜状水。的外层所形成的一层膜状的液态水叫膜状水。 影响因子影响因子 土壤质地土壤质地 有机质含量有机质含量 性质性质 与液态水基本相似，但水分子受土粒吸持与液态水基本相似，但水分子受土粒吸持而排列较紧，难以被植物利用，称难有效水。而排列较紧，难以被植物利用，称难有效水。 （3 3）毛管水）毛管水 受毛管力作用而保持在土壤孔隙中的水分。受毛管力作用而保持在土壤孔隙中的水分。运动方

21、向和速度依毛管力的大小而定。毛管水上运动方向和速度依毛管力的大小而定。毛管水上升高度与毛管半径成反比，毛管水运动速度与毛升高度与毛管半径成反比，毛管水运动速度与毛管半径平方成正比。粘性土中孔隙小，毛管水上管半径平方成正比。粘性土中孔隙小，毛管水上升高度大而运动速度很慢；砂性土中则相反，其升高度大而运动速度很慢；砂性土中则相反，其上升高度小而运动速度很快；壤土介于两者之间。上升高度小而运动速度很快；壤土介于两者之间。 毛管水又分为毛管水又分为毛管悬着水和毛管上升水毛管悬着水和毛管上升水。毛管作用示意图毛管作用示意图 （810p3141 kPa）（0.001mmd400120300-40080-1

22、20300300100200-30070-100200400120260-40090-12030040060250-40040-60250350110250-35070-110250W 5555W 4545W 40W Dp-40-40Dp -60-60Dp -80Dp Dp -50-50Dp -65-65Dp -75Dp Dp -35-35Dp -45-45Dp -55Dp 75II-215303150517575III-215252645467070IV-210202145466060V-210202145466060VI-210202145466060夏季夏季(68月月)I-2102021

23、35365050II-210202135365050III-210202130314545IV-25101120213030V-25101120213030VI-25101120213030冬季冬季(122月月)I-2-II-220303160619090III-215303150518080IV-215252645467070V-215252645467070VI-215252645467070 2 2、干热风、干热风 定义定义 干热风是出现在温暖季节的影响小麦的干热风是出现在温暖季节的影响小麦的一种高温、低湿并伴有一定风力的农业灾害一种高温、低湿并伴有一定风力的农业灾害性天气。性天气。 类

24、型类型 高温低湿型高温低湿型 雨后热枯型雨后热枯型 旱风型旱风型 (1) (1)高温低湿型：其特点是干热风出现时高温低湿型：其特点是干热风出现时急剧升温降湿，且持续高温低湿，所以热和急剧升温降湿，且持续高温低湿，所以热和干是这种类型干热风对小麦造成危害的主导干是这种类型干热风对小麦造成危害的主导因子，风的存在只是加剧了危害。它主要出因子，风的存在只是加剧了危害。它主要出现在小麦开花灌浆期间，是华北和西北小麦现在小麦开花灌浆期间，是华北和西北小麦产区干热风的主要天气类型。产区干热风的主要天气类型。 (2) (2)雨后热枯型雨后热枯型( (雨后猛晴型雨后猛晴型) )：其特点是：其特点是雨后猛睛或雨

25、后高温，主要危害小麦乳熟中、雨后猛睛或雨后高温，主要危害小麦乳熟中、后期及腊熟初期，使小麦茎、穗呈灰褐色，后期及腊熟初期，使小麦茎、穗呈灰褐色，青枯，最后造成灌浆速度减慢，千粒重下降青枯，最后造成灌浆速度减慢，千粒重下降而减产。一般在一次降雨过程后，而减产。一般在一次降雨过程后，2323天内天内若出现高温晴天，即会对小麦造成危害。在若出现高温晴天，即会对小麦造成危害。在华北地区常发生于华北地区常发生于6 6月上、中旬，西北地区一月上、中旬，西北地区一般在般在6 6月下旬到月下旬到7 7月上旬出现较多。月上旬出现较多。 (3) (3)旱风型：其特点是空气湿度低，风速旱风型：其特点是空气湿度低，风

26、速大，因此风和干旱是主导因子。出现这类干大，因此风和干旱是主导因子。出现这类干热风天气时，一般有热风天气时，一般有3434级以上的西南风或级以上的西南风或西北风，多见于黄淮平原，尤以苏北、皖北西北风，多见于黄淮平原，尤以苏北、皖北更为多见。小麦植株危害症状主要因体内水更为多见。小麦植株危害症状主要因体内水分大量消耗而表现出从穗到叶、茎逐渐干枯分大量消耗而表现出从穗到叶、茎逐渐干枯的现象，千粒重明显下降。的现象，千粒重明显下降。最高气温最高气温（）最小相对湿度最小相对湿度（）（）风力风力（米秒）（米秒）蒸发量蒸发量（毫米）（毫米）强强33333636持续持续4 4小时，小时，影响产量影响产量20

27、20持续持续1 11010小时小时，影响产量，影响产量4 45 515152020中等中等 30303232持续持续5 5小时，小时，影响产量影响产量 20-2520-25持续持续8 8小时以上小时以上，影响产量，影响产量3-3-4 41313-15-15弱弱 28283030持续持续5 57 7小小时，影响产时，影响产量量 25-3025-302 23 31010-13-13干干 热热 风风 指指 标标受干热风危害的小麦受干热风危害的小麦正常成熟的小麦正常成熟的小麦 （二）（二）水分过多的危害水分过多的危害 1 1、洪水、洪水 是指由于大雨、暴雨引起山洪暴发、是指由于大雨、暴雨引起山洪暴发、

28、河水泛滥，淹没大片农田园林，毁坏农业河水泛滥，淹没大片农田园林，毁坏农业设施的一种灾害。设施的一种灾害。 2 2、涝害、涝害 定义定义 涝害是由于雨量过大或过于集中，或者涝害是由于雨量过大或过于集中，或者农田排水不畅，造成农田积水，使旱田作物农田排水不畅，造成农田积水，使旱田作物受害的一种农业气象灾害。受害的一种农业气象灾害。 分类分类 按照中国洪涝灾害的成因、发生季节及按照中国洪涝灾害的成因、发生季节及危害特点，可将洪涝灾害分为：危害特点，可将洪涝灾害分为： 春涝春涝 夏涝夏涝 秋涝秋涝 3 3、湿害、湿害 湿害是因连阴雨时间过长，或雨水过多，湿害是因连阴雨时间过长，或雨水过多，或洪水、涝害

29、之后农田排水不良，使土壤水分或洪水、涝害之后农田排水不良，使土壤水分长期处于饱和状态，造成土壤透气不良，温度长期处于饱和状态，造成土壤透气不良，温度过低，使作物根系受到伤害，造成作物的生长过低，使作物根系受到伤害，造成作物的生长发育受阻或死亡的一种农业气象灾害。发育受阻或死亡的一种农业气象灾害。二、农田土壤水分调控二、农田土壤水分调控 （一）（一）农田土壤水分调控的途径农田土壤水分调控的途径 农田土壤水分调控要从农田土壤水分平衡出农田土壤水分调控要从农田土壤水分平衡出发，通过调节各个水分量，达到土壤水分调控的发，通过调节各个水分量，达到土壤水分调控的目的。目的。 农田土壤水分平衡方程：农田土壤

30、水分平衡方程： W Wh h+ +（R R+SgSg+ K K）- -（EsEs+EpEp+ q q1 1+q+q2 2）= W= Wk k 式中，式中，R R为某时期内的降水量，为某时期内的降水量，SgSg为毛管水上升为毛管水上升量，量，K K为该时期内的灌溉量，为该时期内的灌溉量，EsEs为土壤蒸发量，为土壤蒸发量，EpEp为为植物蒸腾量，植物蒸腾量，q q1 1为地表径流量，为地表径流量，q q2 2为地下径流量，为地下径流量，W Wh h、W Wk k分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+EpEs+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有

31、些项可根称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时的具体情况略去。据当地当时的具体情况略去。 调控降水量调控降水量R的途径有：的途径有： 人工增雨人工增雨 人工消雨人工消雨调控毛管水上升量调控毛管水上升量Sg的主要措施：的主要措施： 镇压镇压 中耕中耕调控灌溉量调控灌溉量K和径流量和径流量q的主要途径有：的主要途径有： 汇集雨水及径流汇集雨水及径流 疏通排水渠道疏通排水渠道 修筑水平梯田、隔坡梯田、鱼修筑水平梯田、隔坡梯田、鱼鳞坑、丰产沟、水平沟等水保工程；采鳞坑、丰产沟、水平沟等水保工程；采用带状间作、等高种植、沟垄种植、蓄用带状间作、等高种植、沟垄种植、蓄水聚肥耕作等技术。水聚肥耕作等技术。调控土壤蒸发调控土壤蒸发Es作物蒸腾作物蒸腾Ep的主要途径有：的主要途径有：抗旱节水高效作物品种的筛选抗旱节水高效作物品种的筛选 关键期灌溉关键期灌溉采用滴灌等先进的节水灌溉方法采用滴灌等先进的节水灌溉方法水肥耦合技术水肥耦合技术 旱作节水生化制剂的应用旱作节水生化制剂的应用